利用激光超聲技術研究表面微結構材料中瑞利波的傳播特性

王敬時，徐曉東，程營 ，劉曉峻

?

利用激光超聲技術研究表面微結構材料中瑞利波的傳播特性

王敬時1,2，徐曉東2，程營2，劉曉峻2

(1. 南通大學電子信息學院，江蘇南通 226019；2. 南京大學近代聲學重點實驗室，江蘇南京 210093)

利用激光超聲無損檢測的實驗方法，觀察記錄了瑞利波在具有不同表面微結構厚鋁板中的傳播過程，研究了表面微結構的聲傳輸特性。對具有不同結構參數(shù)的微結構樣品進行了分組對比實驗，結果表明在一定深度范圍內，表面微結構具有明顯的分頻效應。瑞利波中相對高頻的部分被反射，反射信號通帶帶寬主要受制于微結構的深度，其能量主要受微結構寬度影響。相對低頻部分沿表面繼續(xù)傳播，因此表面微結構同時具有一定的低通濾波效應。

激光超聲；分頻；表面微結構；瑞利波；低通濾波

0 引言

瑞利波屬于廣義聲表面波，僅在固體材料表面和近表面?zhèn)鞑?，隨著深度的增加迅速衰減。由于瑞利波的近表面?zhèn)鞑ヌ匦裕壳耙驯粡V泛地應用于傳播介質表面和近表面性質表征方面，如微結構、邊界特征、均一性等[1]。一方面，利用瑞利波在非均勻介質中的色散效應可以反演傳播介質的彈性性質[2]；另一方面，瑞利波脈沖對介質表面結構非常敏感，通過檢測反射波的響應時間，實現(xiàn)對表面和近表面缺陷的檢測和定位[3]，為特殊材料和微結構的檢測提供一種新方法。目前，人們對于介質表面和近表面的瑞利波傳導過程和動力機制做了一定理論研究[4,5]，并建立了利用介質表面微結構調制聲波傳輸特性的相關理論模型[6-10]。然而，很少有關于表面微結構聲傳輸特性方面的實驗驗證和研究的報道，仍有許多問題值得深入分析。

隨著聲學技術、激光技術和微弱信號檢測技術的發(fā)展，光聲光熱技術在理論研究和實際應用兩個領域都獲得了迅速發(fā)展，其中熱彈機制下的激光超聲檢測技術由于不損傷介質表面，已成為無損檢測的重要手段之一。本文中利用熱彈效應和光偏轉法建立激光超聲無損檢測實驗系統(tǒng)，利用激光束作為探針檢測傳播介質表面位移，表征其中聲波的傳播特性，記錄并研究了具有不同結構參數(shù)表面微結構的厚鋁板中瑞利波的傳播過程。通過對瑞利波波形和頻譜的分析證實了材料表面缺陷具有明顯的低通濾波效應，探討了表面微結構參數(shù)對透射聲波傳播的影響。

1 激光超聲檢測系統(tǒng)的構成及原理

本文引入一種改進的激光超聲檢測系統(tǒng)，其示意圖如圖1所示。樣品兩端和頂端自由，底端固定在光學減震平臺上。將Nd:YAG激光器發(fā)出的高能脈沖激光經過三棱鏡(P1)、柱面透鏡(L1)聚焦為單線源照射在樣品上表面，激發(fā)聲波信號，激發(fā)脈沖上升時間為4 ns、能量為170 mJ、聚焦線源半寬度為0.1 mm。檢測信號為激光二極管產生空間上按高斯分布的激光束，并通過一個聚焦透鏡(L2)聚焦為盡量小的光斑照射在樣品表面。反射光束再次通過一個透鏡(L3)準直照射在兩塊可調平面鏡(M3)上，反射光束將被一分為二形成兩束檢測光。兩束檢測光通過透鏡(L4)聚焦后由光電平衡器(BPR)的兩個光敏二極管接收，其中BPR的前置放大電路由一個差分放大器構成。

圖1 激光超聲檢測系統(tǒng)示意圖

樣品表面靜止時，通過仔細調節(jié)光路使檢測光束被M3的兩塊平面鏡平分，BPR接收到的兩束檢測光能量相等，示波器輸出為零，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。瑞利波傳播過程中，樣品表面發(fā)生形變，由樣品表面反射的檢測光束隨之偏轉，照射在M3上的光斑也會隨之發(fā)生位移，分別如圖2(a)和2(b)中所示。BPR兩個輸入端的光電平衡將被破壞，兩個輸入端所接收的信號強度的差值與反射光路偏轉角度即樣品的形變程度和聲波的傳播特性密切相關。這一差值的變化由光敏二極管轉換成電信號為示波器顯示并記錄。

如圖2(b)中所示，以M3的中心為坐標原點，平面鏡M3上下沿平行方向為方向，垂直方向為方向，建立笛卡爾坐標系。系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，經透鏡L3聚焦后的光斑中心落于坐標原點時，檢測信號的能量分布可以表示為：

其中：0為檢測激光束中心能量幅值；為檢測激光束照射在M3上的光斑半徑。光束被M3兩塊平面鏡分開后，兩部分光強可以分別表示為：

其中，是光斑中心相對于坐標原點的偏移。系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時仔細調節(jié)光路，使趨于零。

當聲波信號通過檢測點時，照射在M3上的光斑也將隨之偏移，令其為，如圖2(b)中虛線所示，此時，M3的兩個反射鏡的反射光強的變化可分別表示為：

兩束檢測光經聚焦后分別照射在BPR的兩個光敏二極管上，令兩個光敏二極管的轉換效率為η，則差分后的輸出信號可表示為

另一方面，考慮樣品表面的情況，瑞利波的傳播導致樣品表面發(fā)生微小形變，并導致反射光束的偏轉，如圖2(a)所示。令波傳播的方向為方向，深度方向為方向，樣品中聲場可以表示為：

令聚焦透鏡L3的焦距為3，由幾何光學中小角度近似可知，光斑的偏移可表示為

將式(6)、(10)聯(lián)立，BPR輸出信號可表示為：

對于由多頻率成分組成的聲波信號，式(11)可展開為：

2 樣品檢測和結果分析

利用激光溶蝕的方法在鋁塊上表面加工特定結構參數(shù)的空氣槽，檢測中使聚焦后的激光線源與表面空氣槽平行，在樣品表面?zhèn)鞑サ穆暡梢越茷槠矫娌?，將三維問題化簡為二維問題。實驗中使用厚鋁板作為基體，定義表面微結構深度為、寬度為，反射聲波檢測點A距激發(fā)點距離為1，透射聲波檢測點B距激發(fā)點距離為2，結構示意圖如圖3所示。實驗中使用的樣品的結構參數(shù)和系統(tǒng)位置參數(shù)如表1所示。實驗中使用的示波器采樣頻率為50 MHz。

圖3 樣品結構示意圖

表1 實驗樣品結構參數(shù)和系統(tǒng)位置參數(shù)表

2.1 表面微結構深度對反射頻譜的影響

瑞利波沿介質表面?zhèn)鞑?，并隨著深度的增加按指數(shù)衰減，故而表面微結構對樣品中的聲波有很強的反射和散射作用。選取具有相同寬度= 2 mm，不同深度表面結構的樣品A(=0.3 mm)、樣品C(=0.75 mm)和樣品D(=1.70 mm)探討微結構參數(shù)對反射聲信號的影響。

圖4(a)、4(b)分別為樣品A、C和D表面檢測到的瑞利波入射信號和反射信號頻響曲線歸一化后的對比圖，黑色粗實線與頻譜曲線交點為信號通帶的頻率截止點。三次實驗中保持相同的激光脈沖激發(fā)，三個樣品表面探測到受激產生的入射信號通帶帶寬基本相同，約為9.5 MHz。由于三次實驗光路校準和光學聚焦中的些許不同以及樣品加工精度導致的物理屬性的細微差別，入射信號通帶位置略有不同，相應的反射信號也存在一定的頻移。圖4(b)中顯示，隨著微結構深度的增加，探測點A處接收到的反射信號通帶不斷擴展，瑞利波在樣品表面?zhèn)鞑r所受的阻擋越來越強，更多頻率成分被表面結構反射。

圖4 樣品A、樣品C和樣品D中入射波、反射波歸一化頻響曲線對比

如圖4所示，具有同寬表面結構的樣品中，當微結構深度為0.3 mm時(樣品A)，入射信號通帶帶寬為9.92 MHz，反射信號帶寬為5.49 MHz，反射比(反射信號帶寬與入射信號帶寬比值)為55.34%；當微結構深度增加到1.7 mm時(樣品D)，入射信號帶寬為9.08 MHz，變化不大，反射信號帶寬增加到11.91 MHz，反射比提高到131.17%，此時，反射信號帶寬已超過入射信號，反射比大于1。這主要是由于樣品對在其表面?zhèn)鞑ヂ暡ǖ母黝l率成分反射系數(shù)不同，反射信號的通帶帶寬可能超過入射信號。樣品C表面結構深度介于樣品A和D之間，檢測到的反射聲波帶寬和反射比也介于兩者之間?？梢?，微結構的深度對反射信號的通帶帶寬有明顯影響。瑞利波在傳播過程中遇到表面微結構，低頻部分由于波長較長，在衍射作用下可直接跨過繼續(xù)傳播，而高頻成分在微結構處發(fā)生反射和散射，故而反射信號的通帶帶寬主要受制于表面結構的深度。

2.2 表面微結構寬度對反射頻譜的影響

比較圖5中兩組曲線可得，樣品C(=2.0 mm)中入射信號通帶為4.89~15.04 MHz(帶寬10.15 MHz)；反射信號通帶為8.32~15.93 MHz(帶寬7.61 MHz)。樣品E (=0.5 mm)中入射信號通帶為4.24~ 13.22 MHz(帶寬8.98 MHz)；反射信號通帶為6.30~13.12 MHz(帶寬6.82 MHz)，如圖5(a)、5(b)中所示。樣品C和樣品E的反射比分別為0.75和0.76，兩者近似相等，樣品C中略小。這主要是由于較寬的表面微結構對聲波信號的散射作用更強，相對于較窄的微結構，聲脈沖的頻率成分損失會更多。兩次檢測中檢測點距離表面微結構均為2 mm，兩個樣品表面瑞利波傳播過程中隨距離的衰減差別可以忽略。對比圖6(a)和6(b)，瑞利波遇到較寬微結構(樣品C)所得反射信號能量與入射信號能量之比明顯小于較窄的情況(樣品E)。可見，表面微結構的寬度對反射信號能量的影響較大，對反射信號通帶帶寬和系統(tǒng)反射比的影響很小。

2.3 表面微結構的分頻效應

分別檢測了具有不同表面微結構的樣品A(=0.3 mm，=2 mm)和樣品B (=1.9 mm，=1 mm)。由于隨著表面微結構深度的增加，更多的信號成分被反射或散射，透射波幅值逐漸衰減，樣品B表面檢測到的透射信號已近乎被噪聲湮沒。因此本文中僅選取樣品A的入射、反射和透射信號，研究其中瑞利波的反射和透射特性。

圖5 樣品C和樣品E中入射波、反射波歸一化頻響曲線對比

圖6 樣品表面入射信號和反射信號頻響曲線

圖7(a)展示了樣品A表面檢測到的入射、反射和透射聲波的頻響曲線，并對該結果做了歸一化，如圖7(b)中所示。由波長、頻率和聲速的關系可知，在樣品A表面?zhèn)鞑サ娜肷渎暡ㄍ◣ьl率對應的瑞利波波長大約為0.2~0.8 mm。聲波中頻率較低的部分，即對應波長近似大于0.8 mm的頻率成分，可以經衍射越過微結構保持原來的振動方式繼續(xù)傳播；而頻率較高的部分，即對應波長近似小于0.51 mm的頻率成分則主要被微結構反射，表面微結構表現(xiàn)出明顯的低通濾波效應。并且透射波通帶與反射波通帶并不重合，表面微結構有明顯的分頻作用。圖7(a)顯示，樣品A表面的透射信號能量比重明顯小于反射信號，主要是由于樣品A表面的透射信號通帶已經低于入射信號的通帶范圍，由圖7(a)中能量分布可知，距離通帶越遠則該頻率成分的能量越低?？梢姡捎谑艿饺肷湫盘枎挼南拗埔约安牧媳旧淼淖枘嵝谝欢ńY構參數(shù)范圍內，表面微結構對樣品表面?zhèn)鞑サ娜鹄ㄆ鸬降屯V波和分頻的作用，微結構深度過大時透射信號因能量太弱很難被檢測(樣品B)。

圖7 樣品A中入射、反射和透射信號頻響曲線

3 結論

本文對脈沖激光激勵下產生的瑞利波在具有不同表面微結構厚鋁板中的傳播行為進行了較為系統(tǒng)的實驗研究，分析了微結構結構參數(shù)對瑞利波傳播的影響。實驗結果顯示，瑞利波通過表面微結構時，表面微結構具有明顯的分頻作用和低通濾波效應，聲波中的低頻成分可以跨過微結構沿樣品表面繼續(xù)傳播，而高頻成分則被反射。微結構寬度對反射信號通帶帶寬影響不大，但由于邊界散射作用，通帶內聲波能量會隨著結構寬度的增加而迅速衰減。

[1] Hu W X, Qian M L, Cantrell J H. Thermoelastic generation of cylindrical Rayleigh waves and whispering gallery modes by pulsed-laser excitation[J]. Applied Physics Letters, 2004, 85(18): 4031-4033.

[2] Xiao X, You X Y, Yao S Y. Dispersion feature in arbitrary direction of surface acoustic wave applied to property characterization of ultra-large-scale integrated circuit interconnect films[J]. Acta Physica Sinica, 2007, 56(4): 2428-2433.

[3] Zhang J Z. Nondestructive Testing Technology and Its Application[M]. Beijing: Science Press, 1993.

[4] Arias I, Achenbach J D. A theoretical model for the ultrasonic detection of surface-breaking cracks with the scanning laser source technique[J]. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, 2003, 20(22A&22B): 281-288.

[5] Cho Y H, Rose J L. An elastodynamic hybrid boundary element study for elastic guided wave interactions with a surface breaking defect[J]. International Journal of Solids and Structures, 2000, 37(30): 4103-4124.

[6] Wang J S, Xu X D, Liu X J, et al. A tunable acoustic filter made by periodical structured materials[J]. Applied Physics Letters, 2009, 94(18): 181908-1-181908-3.

[7] Wang J S, Xu X D, Liu X J, et al. Low pass effect of surface defect metal based on laser ultrasonic[J]. Acta Physica Sinica, 2008, 57(12): 7765-7769.

[8] Sokolova E S, Kovalev A S. Acoustic waves guided by the intersection of a surface and an interface of two elastic media [J]. Wave Motion, 2012, 49(2): 388-393.

[9] Fang G F, Li Y, et al. A novel concept of acousto-optic ring frequency shifters on silicon-on-insulator technology[J]. Optics and Laser Technology, 2014, 63: 62-63.

[10] Schneider D, Hofmann R, et al. Evaluating surface hardened steels by laser-acoustics[J]. Surface & Coatings Technology, 2012, 206(8-9): 2079-2088.

Laser-ultrasonic investigation on Rayleigh wave propagation in surface micro-structures

WANG Jing-shi1, 2, XU Xiao-dong2, CHENG Ying2, LIU Xiao-jun2

(1.School of Electronics and Information, Nantong University, Nantong 226019, Jiangsu, China; 2. Laboratory of Modern Acoustics, Nanjing University, Nanjing 210093, Jiangsu,China)

Thepropagation of laser-generated Rayleigh wave on a thick aluminum plate with the surface micro-structure has been investigated by experiment. Experimental results have proved that the surface micro-structure act as a frequency divider for the Rayleigh wave withina certaindepthrange. The high-frequency part of the Rayleigh wave is reflected. Bandwidth of the reflected pass band is closely related to the depth of the surface micro-structure, and advanced by increasing the depth of the micro-structure. The amplitude of the reflected acoustic wave is suppressed by increasing the width ofsurface micro-structure. The low-frequency part propagates of the Rayleigh wave on the sample surface without disturbance, and the surface micro-structure works as a low-pass filter.

laser-ultrasonic; frequency divider; surface micro-structures; Rayleigh waves; low-pass filter

TN249 O426

A

1000-3630(2014)-06-0512-05

10.3969/j.issn1000-3630.2014.06.007

2014-07-02;

2014-08-25

國家自然科學基金資助項目(11204145)、南通市科研項目(12R012)。

王敬時(1985－), 女, 江蘇睢寧人, 博士, 講師, 研究方向為激光超聲和復雜介質中的聲傳播。

王敬時, E-mail: wjsh@ntu.edu.cn